头戴式2D观影设备的制作方法

本实用新型涉及图像显示技术领域，具体涉及图像观看设备。

背景技术：

人们现在越来越多的使用手机/平板看视频或浏览网页，肉眼一般要与显示设备保持一定的距离，通常这个距离在150mm以上时就能较舒适的长久观看。但手机屏幕小、观看体验并不好，而且直接用手机观看，环境光干扰大，沉浸感差，手壁臂累，远远达不到电影院的观看效果。

随着VR的兴起，头戴观影设备也兴起了，其中针对手机的VR镜就受到普遍关注。其成本低，使用方便，可排除环境干扰、获得大屏幕观感和较好的沉浸感。但是由于尺寸和佩戴舒适感的要求，手机的显示设备距离人眼必须要较近，因为离远了尺寸会较大，并且增加沉重感，造成佩戴不稳，或影响舒适性。若果显示屏与人眼的距离比较小时(如100mm内)，人眼直接观看显示屏会比较难受。并且，很多现有VR设备是需要显示设备分屏显示，实际上降低了显示设备的分辨率。当显示设备采用手机和平板等非定制设备时，影响是很大的，但是对于2D影像来说，分屏实际是不需要的，只会带来分辨率下降的负面影响。

也基于上述原因，我们必须要解决图像与人眼的距离问题，最好要达到150毫米以上，同时又不能使头戴设备的体积过大。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是：

1、通过现有头戴观影设备，如VR镜，肉眼所观看到影像在观感上是离自己非常近的，通常采用分屏加光学放大元器件的方式来解决这个问题，但分屏后分辨率下降，影响了观影舒适性的问题。

2、直接手持手机观看视频，维持肉眼距离显示设备150mm或以上时手臂很累，并且直接用手机观看，环境光干扰大，沉浸感差的问题；

3、头戴观影设备中，如果直接将显示屏放置在人眼正前方150毫米远处，显然设备的尺寸过大，不仅影响设备外形，还影响佩戴的舒适性。

4、我们的设备必须解决图像到眼睛的距离要足够大，同时尺寸要足够小这两个相互“矛盾的问题”。

为达到上述发明目的，本实用新型所采用的技术方案为：提供了一种头戴式2D观影设备，包括一面位于人眼前方的反射镜，反射镜向前倾斜的放置于人眼正前方，反射镜的后上方设置有显示设备固定结构，所述显示设备固定结构使插入其中的显示设备向反射镜倾斜，显示设备中的图形经反射镜反射入人眼，用来在人眼前方相对反射镜更远处形成显示设备所显示影像的虚像；或者包括一面位于人眼前方的反射镜，反射镜向后倾斜的放置于人眼正前方，反射镜的后下方设置有显示设备固定结构，所述显示设备固定结构使插入其中的显示设备向反射镜倾斜，显示设备中的图形经反射镜反射入人眼，用来在人眼前方相对反射镜更远处形成显示设备所显示影像的虚像。

所述反射镜后方设置有两个分别与人眼的左眼和右眼位置对应的光学放大元器件，两个光学放大元器件分别将反射镜的图像放大后分别投射入左眼，右眼。

所述光学放大元器件为一片凸透镜或多片镜片组成的放大镜头。

两个所述光学放大元器件的前方或后方分别设置有一个光学折射元器件，将光线向双眼的内侧折射，使人眼观看到的虚像比经过反射镜反射和光学放大元器件放大后的更远。

所述光学折射元器件为楔形镜。

所述反射镜后方设置有两个与人眼的左眼和右眼位置对应的光学折射元器件，将光线向双眼的内侧折射，使人眼观看到的虚像比经过反射镜反射更远。

所述显示设备固定结构使插入其中的显示设备与水平线的夹角和反射镜背面与水平线的夹角的关系为：

β＝45°+α/2

式中：α、显示设备与水平线的夹角，β、反射镜背面与水平线的夹角。

当显示屏是矩形时，反射镜的形状是等腰梯形，反射镜的高度为：

|EN|≈2/3|AB|

式中：AB、显示设备所显示图像的高度；

反射镜与人眼齐平处的长度为：

|FG|＝1/2(d1+d2)

式中：d1、瞳距，d2、显示设备所显示图像的长度。

人眼到反射镜最远边缘的距离(h1)的长度为:

h 1≈h/2+1/2[|EN|*sin(90°-β)]

式中：h、人眼到虚像的距离，EN、反射镜的高度，β、反射镜背面与水平线的夹角。

本实用型的有益效果是：

1、通过反射，人眼观感距离在不加光学放大元器件时，增加了显示设备到反射镜这段距离，这样能在和现有头戴观影设备尺寸(前后大小)保持不变的基础上提高人眼观感距离人眼观感距离，能达到150mm或以上。使人不需要手持的情况下能长久的、较为舒适的观看影像，并且可排除环境干扰，无需分屏，保证了分辨率，可获得较好的观影体验；

2、通过增加光学放大元器件，能获得大屏幕观感和较好的沉浸感，保证了体验效果；

3、进一步增加光学折射元器件(楔形镜)，可进一步在保证清晰度和影像大小的基础上获得更大的观感距离，更加接近影院观影体验。

附图说明

图1为本实用新型的侧视结构示意图，主要展示实施例一结构；

图2为显示设备1和反射镜2四个顶点的编号，反射镜与人眼齐平处的长度的编号、反射镜的高度编号；

图3为本实用新型的侧视结构示意图，主要展示实施例二结构；

图4为本实用新型的俯视结构示意图，主要展示实施例三结构；

图5为本实用新型的俯视结构示意图，主要展示实施例四结构；

其中，显示设备(1)、显示设备的四个顶点(A、B、C、D)、反射镜(2)、反射镜的的四个顶点(J、K、M、N)、虚像(3)、虚像的四个顶点(A’、B’、C’、D’)、光学放大元器件(4)、光学折射元器件(5)、偏移后虚像(6)，左偏移后的虚像(61)、右偏移后的虚像(63)、

人眼(Q)、左眼(Q1)，右眼(Q2)、显示设备与水平线的夹角(α)、反射镜背面与水平线的夹角(β)、楔形镜的顶角(τ)、

瞳距(d1)、显示设备所显示图像的长度(d2)、反射镜与人眼齐平处的长度(FG)、反射镜的高度(EN)、人眼到虚像的距离(h)、人眼到反射镜的最远边缘的距离(h1)、虚像的中心点(Z)、左偏移后虚像的中心点(Z’)、右偏移后虚像的中心点(Z”)。

具体实施方式

实施例一

如图1、2、4，图4为用作参考，本实施例中不带图4中的光学放大元器件4。

所示的头戴式2D观影设备，包括一面位于人眼Q前方的反射镜2，反射镜2向人眼Q上方倾斜，反射镜2的后上方设置有显示设备固定结构，所述显示设备固定结构使插入其中的显示设备1向反射镜2倾斜，显示设备1中的图形经反射镜2反射入人眼Q，用来在人眼Q前方相对反射镜2更远处形成显示设备1所显示影像的虚像3。

所述显示设备固定结构使插入其中的显示设备与水平线的夹角α(推荐值45°)和反射镜背面与水平线的夹角β的关系为：

β＝45°+α/2

式中：α、显示设备与水平线的夹角，β、反射镜背面与水平线的夹角。

如图4所示，人眼Q的位置被确定后我们能通过几何关系算出反射镜的高度EN为：

|EN|≈2/3|AB|

式中：AB、显示设备所显示图像的宽度；

当显示屏是矩形时，反射镜2的形状是等腰梯形，靠近人脸最近的边是短边MK，离人脸最远的是长边NJ。反射镜与人眼齐平处的长度FG为：

|FG|＝1/2(d1+d2)

式中：d1、瞳距，d2、显示设备所显示图像的长度。

人眼到反射镜最远边缘的距离h1的长度为:

h 1≈h/2+1/2[|EN|*sin(90°-β)]

式中：h、人眼到虚像的距离，EN、反射镜的高度，β、反射镜背面与水平线的夹角。

以5寸16:9TFT液晶显示屏为例,屏上显示区域为矩形，长宽尺寸约115mmX64.5mm，显示屏放置在人眼斜上方，显示屏长度方向与人眼两瞳孔间的连线平行，假设人眼瞳距为64mm，α角为45°，设定人眼到虚像的距离h为150mm，虚像3在人眼Q的正前方。

则反射镜2为等腰梯形，的理论尺寸大小为：

|EN|≈2/3|AB|＝(2/3)*64.5＝43mm

|FG|＝1/2(d1+d2)＝1/2(115+64)＝89.5mm

β＝45°+α/2＝67.5°

人眼到反射镜最远边缘的距离h1的长度为:

h 1≈h/2+1/2[|EN|*sin(90°-β)]＝83.2mm

需要说明的是：

1、本实施例中的各零部件为配合在一起，实现可用性，是必然的固定在一个外壳中的，该外壳结构与现有的头戴式2D观影设备近似，区别在于在将显示设备替换为反射镜，将显示设备移动到反射镜的后上方；其他用于将设备固定在头部的结构为现有技术，不在此累述。所述显示设备固定结构为可插入显示设备的插槽。本实施例的结构中不包含显示设备，以为显示设备是可根据需要替换的，一般为用户自有的手机或平板电脑等，也可专门定制高分辨率的显示设备。

2、显示设备中的镜像图形经反射镜反射入人眼，经过反射镜后，人眼能通过反射镜观看正前方较远的位置所呈现的虚像。但是显示设备中显示的需要设置为镜像图像，这样，通过反射镜反射后，图像会得到还原。人眼最后看到的是正常图像。显示设备可以是智能手机或平板，也可以为其他显示设备，若是手机或平板则需要在手机中安装相应的应用软件以显示所需要的镜像画面。

本实用新型采用反射镜的方式，人眼观看反射镜中的虚像来解决这一问题。通过反射，人眼观感距离在不加光学放大元器件时，增加了显示设备到反射镜这段距离，从图1中可以看出，人眼到反射镜最远边缘的距离h1比人眼到虚线的距离h要小的多，这可以让设备的外观结构容易做小。这样能在和现有头戴观影设备尺寸(前后大小)保持不变的基础上提高人眼观感距离人眼观感距离，能达到150mm或以上。使人不需要手持的情况下能长久的、较为舒适的观看影像，并且可排除环境干扰，无需分屏，保证了分辨率，可获得较好的观影体验。

反射镜2在人眼的正前方，显示设备1在人眼的斜上方。可以很方便调整二者的相对位置，确保显示设备1不会遮挡人眼观看反射镜2中的虚像。参考图5，本实施例中，推荐虚像的中心点Z对齐瞳孔连线的中心点。在实际产品中，由于误差会造成的虚像3左右和/或上下轻微的移动，但虚像3距离人眼Q较远，基本是不会影响观感的。(虚像3是正立于人眼的正前方的，但在实际产品中，由于产品误差或使用者佩戴时的误差，造成虚像3整体稍微左右和/或前后稍微倾斜，基本是不影响观感。)

实施实例二

如图3所示，在实施例一的基础上，在产品化的过程中，我们可以把显示设备置于人眼Q下方，反射镜2依然置于人眼正前方。这种方式也是可行的。

具体的说，是将实施例一中的显示设备1和反射镜2均以与人眼Q对齐的水平线为轴线上下镜像反转后，得到实施例二的结构。

实施例三

如图2、4所示、在实施例一或二的基础上，所述反射镜2后方设置有两个与人眼Q的左眼Q1和右眼Q2位置对应的光学放大元器件4，两个光学放大元器件4将反射镜2的图像放大后分别投射入左眼Q1，右眼Q2。

所述光学放大元器件4为一片凸透镜或多片镜片组成的放大镜头。

除就有实施例一的优点外，通过增加光学放大元器件，能获得大屏幕观感和较好的沉浸感，并且因为距离较远，光学放大元器件屈光度较小，图形不会出现扭曲变形，保证了观影质量。

实施例四

如图2、5所示，在实施例三的基础上，两个所述光学放大元器件4的前方或后方分别设置有一个光学折射元器件5，将光线向双眼的内侧折射，使人眼Q观看到的虚像3比经过反射镜2反射和光学放大元器件4放大后的更远。所述光学折射元器件5为楔形镜。

以左眼Q1为例，左眼Q1通过光学折射元器件5和光学放大元器件4观测到的反射镜2中的虚像3会整个向左偏移，形成偏移后虚像6。具体原理，包括光线偏移请见图5。图中，虚像的中心点Z到左眼Q1的光线经过光学折射元器件5后，向双眼的内侧折射，使左眼Q1认为观看到的实际在左侧的偏移后虚像的中心点Z’是虚像的中心点Z。

增加光学折射元器件5楔形镜后，左右两眼看的的成像位置各有偏移，左眼看到的像向左偏移形成左偏移后的虚像61，右眼看到的像向右偏移形成右偏移后的虚像63，相当于两只眼睛在各看一幅图像。Q1Z’和Q2Z”的延长线相交于距离人眼更远处，拉远了虚像与人眼的距离。最理想的状况是通过楔形镜让Q1Z’和Q2Z”两条线平行，考虑到楔形镜顶角过大会导致色散等因素，因此不必强求Q1Z’和Q2Z”两条线平行，避免顾此失彼。反射镜2在人眼的正前方，显示设备1在人眼的斜上方。可以很方便调整二者的相对位置，确保显示设备1不会遮挡人眼观看反射镜2中的虚像。当靠近人眼的地方放置光学放大元器件4和楔形镜5时，也可以确保光学放大元器件4和楔形镜5不遮挡显示设备1在反射镜2中反射成像。

注：①左右眼光学系统是对称的；②光学放大元器件4和光学折射元器件5的位置可交换；③楔形镜的顶角τ不能太大，为降低光学色散，楔形镜的顶角τ不宜超过5°。在顶角τ小于5°时，采用合适的光学材料，光学色散基本可以忽略。当顶角τ超过5°时，产生的色散需要通过光学元件矫正。